Nutzung von Anlagen des Bergbaus zur Speicherung regenerativer Energie durch Unterflur-Pumpspeicherwerke Machbarkeitsstudie Pumpspeicherkraftwerken im Steinkohlebergbau
Nutzung von Anlagen des Bergbaus zur Speicherung regenerativer Energien durch Unterflur-Pumpspeicherwerke
gefördert durch:
Universität Duisburg-Essen Fachgebiet Geologie Prof. Dr. rer. nat. Ulrich Schreiber Ruhr-Universität Bochum Lehrstuhl Energiesysteme und Energiewirtschaft Prof. Dr.-Ing. Hermann-Josef Wagner
Universität Duisburg-Essen Fachgebiet Geotechnik Prof. Dr.-Ing. Eugen Perau Universität Duisburg-Essen Fachgebiet Wasserbau und Wasserwirtschaft Prof. Dr.-Ing. André Niemann
Essen, 30.11.2011
Prof. Dr.-Ing. E. Perau
Nutzung von Anlagen des Bergbaus zur Speicherung regenerativer Energie durch Unterflur-Pumpspeicherwerke Machbarkeitsstudie Pumpspeicherkraftwerken im Steinkohlebergbau
Inhalt 1. Einführung (Pumpspeicherwerke, UPW, Projekte, Förderung) 2. Projekt „Unterflur-Pumpspeicherwerke (UPW) – Nutzung von Anlagen des Bergbaus …“ 3. UPW im Steinkohle-Bergbau 4. UPW im Braunkohle-Tagebau 5. Fazit und Ausblick
Essen, 30.11.2011
Prof. Dr.-Ing. E. Perau
2
Nutzung von Anlagen des Bergbaus zur Speicherung regenerativer Energie durch Unterflur-Pumpspeicherwerke Machbarkeitsstudie Pumpspeicherkraftwerken im Steinkohlebergbau
Pumpspeicherwerke
Steigerung des Anteils regenerativer Energien (Sonne und Wind) führt zur Abhängigkeit der Stromproduktion vom Wetter
Flexible Abnahme von Strom durch den Verbraucher macht zukünftig vermehrt die Speicherung von Energie notwendig
Pumpspeicherwerke sind effiziente und etablierte Energiespeicher (Ausnutzung der potenziellen Energie des Wassers im Oberbecken) Energiedefizit
Energieüberschuss
Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Pumpspeicherkraftwerk
Quelle: Giesecke, J. (2009) Wasserkraftanlagen
Essen, 30.11.2011
Prof. Dr.-Ing. E. Perau
3
Nutzung von Anlagen des Bergbaus zur Speicherung regenerativer Energie durch Unterflur-Pumpspeicherwerke Machbarkeitsstudie Pumpspeicherkraftwerken im Steinkohlebergbau
Pumpspeicherwerke unterhalb des Geländes
Beginn der Forschung zum Thema Pumpspeicherwerke an der Universität Duisburg-Essen im März 2010 mit einer Idee von Prof. Schreiber / Geologie
Nachnutzung stillgelegter Steinkohle-Bergwerke im Ruhrgebiet zur Speicherung von Energie, zusätzliche Nutzung von Wärme und Grubengasen zur Energiegewinnung
Lässt sich der Bau von Pumpspeicherwerken in stillgelegten Bergwerken technisch realisieren? Lassen sich Bau und Betrieb wirtschaftlich gestalten?
Aufbau einer Forschergruppe zur Behandlung dieser Fragen: - Geologie (Prof. Schreiber, UDE) - Geotechnik (Prof. Perau, UDE) - Wasserbau/-wirtschaft (Prof. Niemann, UDE) - Energietechnik/-wirtschaft (Prof. Wagner, Prof. Koch, RUB)
Essen, 30.11.2011
Prof. Dr.-Ing. E. Perau
4
Nutzung von Anlagen des Bergbaus zur Speicherung regenerativer Energie durch Unterflur-Pumpspeicherwerke Machbarkeitsstudie Pumpspeicherkraftwerken im Steinkohlebergbau
Vergleichbare Projekte TU Clausthal, Energie Forschungszentrum Niedersachsen (Prof. Beck)
Windenergiespeicherung durch Nachnutzung stillgelegter Bergwerke (BMU)
Pumpspeicherwerke in ehemaligen Erzgruben - Pilotanlage im Harz ==> Vortrag Prof. Beck / Dipl.-Wirtsch.-Ing. M. Schmidt (efzn)
DMT (Prof. Apel) (2006)
Interne Studie über Pumpspeicherkraftwerke in Bergwerken für die RAG
Förderung für erste Untersuchungen „Unterflur-Pumpspeicherwerke – Nutzung von Anlagen des Bergbaus zur Speicherung regenerativer Energien“
Forschergruppe UDE, RUB Mercator Research Center Ruhr Fördersumme: ca. 80.000 EUR für 1 Jahr
Ziele: Grundsätzliche Untersuchungen zur Machbarkeit Konkretisierung der Fragestellungen / Suche von Projektpartnern Essen, 30.11.2011
Prof. Dr.-Ing. E. Perau
5
Nutzung von Anlagen des Bergbaus zur Speicherung regenerativer Energie durch Unterflur-Pumpspeicherwerke Machbarkeitsstudie Pumpspeicherkraftwerken im Steinkohlebergbau
Potenzielle Standorttypen UPW UPW I SteinkohleBergbau
UPW II BraunkohleTagebau
UPW III Subaquatische Speicher an Küsten
UPW I und UPW II besonders interessant für NRW Essen, 30.11.2011
Prof. Dr.-Ing. E. Perau
6
Nutzung von Anlagen des Bergbaus zur Speicherung regenerativer Energie durch Unterflur-Pumpspeicherwerke Machbarkeitsstudie Pumpspeicherkraftwerken im Steinkohlebergbau
Arbeitsprogramm mit Teilprojekten A. Standorte
B. Realisierung/Technik
C. Energiewirtschaft
Prof. U. Schreiber
Prof. E. Perau / Prof. A. Niemann
Prof. H.-J. Wagner
Potenziale (Bergbau, Tagebau, Küsten, etc.)
Techn. Anforderungen und Lösungen (z.B. Bautechnik)
Energiewirtschaftliche Rahmenbedingungen (Einsatzgebiete)
Geographische Rahmenbedingungen (z.B. Folgenutzungen)
Betriebliche Anforderungen (z.B. Turbinen, Pumpen)
Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen (Investitionen - Erlöse)
Weitere energetische Potenziale (Wärme, Luft, Gase)
Investitionskosten (Bau und Betrieb)
Optimierungsaspekte (Dimensionierung)
Ergebnisse: Kriterien für Standorte und Realisierungsmöglichkeiten für UPW Essen, 30.11.2011
Prof. Dr.-Ing. E. Perau
7
Nutzung von Anlagen des Bergbaus zur Speicherung regenerativer Energie durch Unterflur-Pumpspeicherwerke Machbarkeitsstudie Pumpspeicherkraftwerken im Steinkohlebergbau
Randbedingungen beim UPW I (Steinkohle-Bergbau) Standortfaktoren (Verfügbarkeit)
Bergwerk ist noch in Betrieb oder noch nicht lange stillgelegt (Standsicherheit, Arbeitssicherheit) Grubenwasserfreiheit (Sümpfung) Verfügbares Speichervolumen untertage Verfügbarkeit von Flächen für den oberirdischen Speicher Vorhandene Schächte (Betriebsschacht, Druckwasserleitung, Luftströme, ….) oder entsprechende Freiflächen
Energiepotenzial
Fallhöhen (Höhendifferenz bis ~1.000 m) Verfügbare Volumina untertage (Schächte, Strecken, Kavernen) Wärmepotenzial (tiefenabhängig) Quelle: Gesamtverband Steinkohle e.V.
Essen, 30.11.2011
Prof. Dr.-Ing. E. Perau
8
Nutzung von Anlagen des Bergbaus zur Speicherung regenerativer Energie durch Unterflur-Pumpspeicherwerke Machbarkeitsstudie Pumpspeicherkraftwerken im Steinkohlebergbau
Vorteile beim UPW I (Steinkohle-Bergbau) a. Einige Bergwerke im Ruhrgebiet sind noch in Betrieb und werden in absehbarer Zeit stillgelegt ==> günstiger Zeitpunkt für UPW b. Für die Bauzeit UPW Erhalt von Arbeitsplätzen und Nutzung des Know-Hows aus dem Bergbau ==> günstiger Zeitpunkt für UPW c. Hebung des Grundwassers im Ruhrgebiet muss ohnehin teilweise aufrecht erhalten werden ==> kein dauerhafter Zusatzaufwand für UPW d. Speichervolumina auf verschiedenen Sohlen / Höhen ==> flexible Fallhöhen für UPW e. Hohlräume für Unterbecken sind zumindest zum Teil vorhanden (Schächte, Strecken, Kavernen) ==> begrenzter Aufwand bei Herstellung von UPW f. Temperatur nimmt mit der Tiefe deutlich zu, Speicherwasser kann im Unterbecken erwärmt werden ==> Wärmepotenzial nutzbar bei UPW g. Vom Bauwerk UPW sind nur Oberbecken und Betriebsgebäude an der Oberfläche sichtbar ==> hohe Akzeptanz für UPW ==> UPW im Steinkohle-Bergbau ist grundsätzlich machbar Essen, 30.11.2011
Prof. Dr.-Ing. E. Perau
9
Nutzung von Anlagen des Bergbaus zur Speicherung regenerativer Energie durch Unterflur-Pumpspeicherwerke Machbarkeitsstudie Pumpspeicherkraftwerken im Steinkohlebergbau
Spezifische Fragen beim UPW I (Steinkohle-Bergbau) a. Beschränkung auf geschlossene Systeme (Grubenwasser und Speicherwasser separiert) sinnvoll oder sollten auch offene Systeme untersucht werden? b. Berechnung verfügbarer Volumina für das Unterbecken (Streckenquerschnitte und –längen)
c. Beurteilung der hydraulischen Nutzbarkeit von Strecken (z.B. Anordnung, Gefälle) und ggf. Festlegung für Erweiterungen von Hohlräumen d. Notwendigkeit von Ertüchtigung des temporären Ausbaus von Strecken und Schächten für dauerhaft ausreichende Standsicherheit e. Schaffung von unterirdischen Hohlräumen für Standorte von Maschinen (z.B. Turbine, Generator) und ggf. Schaffung von Transportwegen f. Ermittlung von Beanspruchungen aus statischen und dynamischen Lasten g. Beachtung erschwerter Arbeitsbedingungen (Brand- u. Explosionsschutz, Bewetterung, beengte Arbeitsräume) ==> Konkrete Informationen zum Schacht- und Streckensystem erforderlich Zusammenarbeit mit maßgeblichem Bergbauträger RAG ist wichtig Essen, 30.11.2011
Prof. Dr.-Ing. E. Perau
10
Nutzung von Anlagen des Bergbaus zur Speicherung regenerativer Energie durch Unterflur-Pumpspeicherwerke Machbarkeitsstudie Pumpspeicherkraftwerken im Steinkohlebergbau
Randbedingungen beim UPW II (Braunkohle-Tagebau) Standortfaktoren (Verfügbarkeit)
Tagebau muss noch in Betrieb sein (Ermöglichung der Zugänglichkeit, Grundwasserfreiheit)
Unterbecken auf der Tagebau-Sohle flexibel gestalten, jedoch Restriktionen aus Abbaubetrieb beachten
Verfügbarkeit von Flächen für das Oberbecken ist i.A. gegeben
Energiepotenzial
Fallhöhen (Höhendifferenz bis ~400 m)
Volumen des Unterbeckens ist flexibel
Temporäre Energiegewinnung aus Flutung des Tagebaus möglich
Essen, 30.11.2011
Quelle: RWE Power – Bericht (2005)
Prof. Dr.-Ing. E. Perau
11
Nutzung von Anlagen des Bergbaus zur Speicherung regenerativer Energie durch Unterflur-Pumpspeicherwerke Machbarkeitsstudie Pumpspeicherkraftwerken im Steinkohlebergbau
Vorteile beim UPW II (Braunkohle-Tagebau) a. Tagebaue in Hambach (Tiefe ~400 m), Garzweiler II (~160 m) und Inden (~250 m) sind noch länger (2030 bis 2045) in Betrieb ==> günstiger Zeitpunkt für UPW b. Abbauvorgang und Grundwasserhaltung sind ohnehin in Betrieb und könnten für den Bau von UPWs genutzt werden ==> günstige Situation für UPW c. Speicher für Unterbecken und unterirdische Betriebsbauwerke können relativ flexibel gestaltet werden, ==> hohes Optimierungspotenzial für UPW d. Bautätigkeiten können unter atmosphärischen Bedingungen ablaufen, Bauwerke werden sukzessive überschüttet ==> günstige Randbedingungen beim Bau von UPW
e. Temporäre Energiegewinnung während der Flutung des Tagebaus zusätzlich möglich ==> UPW erlaubt zusätzlich Energiegewinnung f. Vom Bauwerk UPW sind nur Oberbecken und Betriebsgebäude an der Oberfläche sichtbar ==> hohe Akzeptanz für UPW ==> UPW im Braunkohle-Tagebau ist grundsätzlich machbar Essen, 30.11.2011
Prof. Dr.-Ing. E. Perau
12
Nutzung von Anlagen des Bergbaus zur Speicherung regenerativer Energie durch Unterflur-Pumpspeicherwerke Machbarkeitsstudie Pumpspeicherkraftwerken im Steinkohlebergbau
Spezielle Fragen beim UPW II (Braunkohle-Tagebau) a. Hohe Belastungen des Unterbeckens sowie der Schächte aus Überdeckung mit Sedimenten und Grundwasser bzw. Wasser - für die Gesamtkosten UPW II vermutlich maßgeblich, daher gesonderter Forschungsbedarf b. Auslegung der Schächte zum Transport der Maschinen (z. B. Pumpe, Turbine, Generator) c. Statische und dynamische Beanspruchungen aus dem Pumpspeicherbetrieb d. Auswirkungen der Beanspruchung aus Überschüttung und Betrieb auf Verformungen (Anschlüsse Rohre / Behälter) und Standsicherheit (Aufschwimmen vom Unterbecken) e. Vielfältige wechselseitige Einflüsse von Tagebau-Betrieb und Bautätigkeit (verfügbarer Bauplatz, Materialtransporte aus Gewinnung und Verkippung sowie Bautätigkeit)
Essen, 30.11.2011
Prof. Dr.-Ing. E. Perau
13
Nutzung von Anlagen des Bergbaus zur Speicherung regenerativer Energie durch Unterflur-Pumpspeicherwerke Machbarkeitsstudie Pumpspeicherkraftwerken im Steinkohlebergbau
Folgerungen beim UPW II (Braunkohle-Tagebau) Konkrete Informationen zum Tagebau-Betrieb wünschenswert, Zusammenarbeit mit maßgeblichem Tagebaubetreiber in NRW RWE Power AG wird angestrebt.
Forschungsbedarf zur Optimierung der Unterbecken Forschungsprojekt (Förderung durch Stiftung Mercator) „Unterflur-Pumpspeicherwerke – Konstruktionen aus Stahlbeton für Unterbecken im Braunkohletagebau“ Zusammenarbeit: Fachgebiet Geotechnik Prof. E. Perau, UDE Lehrstuhl für Massivbau, Prof. P. Mark, RUB
Essen, 30.11.2011
Prof. Dr.-Ing. E. Perau
14
Nutzung von Anlagen des Bergbaus zur Speicherung regenerativer Energie durch Unterflur-Pumpspeicherwerke Machbarkeitsstudie Pumpspeicherkraftwerken im Steinkohlebergbau
Fazit zur bisherigen Arbeit UPW I – Steinkohle-Bergbau
Steinkohle-Bergwerke im Ruhrgebiet werden etwa 2018 stillgelegt UPWs sollten möglichst unmittelbar danach gebaut werden Mit der RAG wurde der maßgebliche Betreiber als Partner gewonnen Konkretere Untersuchungen zu UPW I sind dringlich
UPW II – Braunkohle-Tagebau
Braunkohle-Tagebaue in NRW werden etwa 2040 beendet sein Einbau von UPWs ist nur im laufenden Betrieb möglich Weitere Förderung durch die Stiftung Mercator wurde eingeworben Mit RWE Power wurde der maßgebliche Betreiber als Partner gewonnen Weiterer Untersuchungsbedarf zu UPW II steht demnächst an
UPW III – Subaquatische Speicher an Küsten
Küstensteilhänge wären jederzeit nutzbar Untersuchungsbedarf ist nicht dringlich
Essen, 30.11.2011
Prof. Dr.-Ing. E. Perau
15
Nutzung von Anlagen des Bergbaus zur Speicherung regenerativer Energie durch Unterflur-Pumpspeicherwerke Machbarkeitsstudie Pumpspeicherkraftwerken im Steinkohlebergbau
Ausblick UPW I – Steinkohle-Bergbau
Steinkohle-Bergwerke im Ruhrgebiet werden etwa 2018 stillgelegt UPWs sollten möglichst unmittelbar danach gebaut werden Mit der RAG wurde der maßgebliche Betreiber als Partner gewonnen Konkretere Untersuchungen zu UPW I sind dringlich
Tagung am 30.11.2011 zur Information und Diskussion Machbarkeitsstudie Pumpspe
… in Erwartung weiterer Anregungen … … und Dank an MRCR und Stiftung Mercator
zum weiteren Vorgehen unserer Forschergruppe ==> am Nachmittag dazu Vortrag Prof. Niemann, UDE
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit, für die Forschergruppe UDE, RUB E. Perau Essen, 30.11.2011
Prof. Dr.-Ing. E. Perau
16
